鄂爾多斯白堊系地下水盆地南北兩區(qū)循環(huán)深度研究

鄂爾多斯白堊系地下水盆地南北兩區(qū)循環(huán)深度研究

地下水循環(huán)深度是地下水循環(huán)研究的內(nèi)容之一，它反映了地下水的一般特征，在一定程度上反映了地下水的可再生能力。一般說來,地下水循環(huán)深度大,表明地下水資源可更新能力較強,可開發(fā)利用程度高。在制定地下水資源開發(fā)利用規(guī)劃及進行地下水資源管理時,需要了解當?shù)氐叵滤目筛履芰?而確定地下水循環(huán)深度便是一個很好的途徑。目前,用于研究地下水循環(huán)深度的方法主要有地下水動力學法和利用同位素的標志性和記時性的同位素水文地質(zhì)學方法。由于地下水動力學方法需要地下水位及含水層參數(shù)等資料較多,因此在一些人類活動較少、基礎資料貧乏的地區(qū)不太適用。在過去的幾十年里,同位素水文地質(zhì)學方法已被廣泛地應用于水體的起源、年齡和徑流途徑的研究。氫、氧是組成水的元素,可以直接反映地下水的循環(huán)過程,從而成為水循環(huán)的理想示蹤劑。其中,氫的放射性同位素氚(3H),因20世紀60年代全球范圍內(nèi)進行的大規(guī)模核爆試驗、具備放射性和與水經(jīng)歷相同的演化過程而成為淺層地下水研究的理想示蹤劑。大氣中的CFCs濃度自20世紀40年代開始逐漸提高,至90年代逐漸達到平衡,成為近年來測定年齡在50年以內(nèi)的地下水的重要同位素方法。因此,結合水文地質(zhì)條件合理地分析水體環(huán)境同位素特征,可以確定出地下水的循環(huán)深度。鄂爾多斯盆地內(nèi)蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源,但水資源嚴重短缺,成為阻礙區(qū)內(nèi)社會經(jīng)濟發(fā)展及能源基地建設的重要因素。水資源短缺的現(xiàn)狀要求了解當?shù)氐牡叵滤h(huán)條件,確定現(xiàn)代水的循環(huán)深度,從而找出合理的開發(fā)利用層位,以指導地下水的開發(fā)與管理。1白堊系地下水帶鄂爾多斯白堊系地下水盆地位于黃河中游地區(qū),面積約為13.21萬km2,地跨陜西、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古4省(區(qū))。白堊系含水層自下而上可以分為洛河含水巖組、環(huán)河含水巖組和羅漢洞含水巖組、上覆新生界含水巖組。受氣候條件限制,盆地內(nèi)降水及蒸發(fā)分布不均,降水量從東南向西北逐漸遞減、蒸發(fā)則越來越強烈。大致以白于山為界,可以將盆地分為北區(qū)南部黃土高原坳陷盆地和北部沙漠高原坳陷盆地2個具有不同地形地貌特征的地下水系統(tǒng)。1.1第四系黃土含水層南部黃土高原坳陷盆地內(nèi)水系發(fā)育、溝谷深切,除河谷地帶外,白堊系地層普遍覆蓋30～120m厚的第四系黃土和古近系泥巖。白堊系含水層系統(tǒng)中泥質(zhì)含量較高,沉積韻律清楚,地層分層明顯。在環(huán)河組頂部和底部分別分布有厚20～160m的泥巖,共同構成了該亞系統(tǒng)區(qū)域性隔水層,從而將白堊系含水層系統(tǒng)分隔為3個相對獨立的含水巖組,自下而上依次為洛河含水巖組、環(huán)河含水巖組和羅漢洞含水巖組:①洛河組含水介質(zhì)為沙漠相的中細砂巖,結構疏松,孔隙率較高且連通性比較好,地下水賦存條件優(yōu)越,為盆地南部的主要含水層。②環(huán)河組含水介質(zhì)以湖相泥巖為主體,間夾砂巖和膏鹽層,含水介質(zhì)致密,泥質(zhì)含量高,地下水賦存條件較差,常構成區(qū)域上的隔水層或弱含水層,水交替滯緩。③羅漢洞含水巖組由沙漠相砂巖構成,分布范圍較小,受后期侵蝕改造,其厚度變化很大。第四系黃土含水層分布十分零散,與白堊系地下水無直接的水力聯(lián)系,僅在黃土含水層連續(xù)分布的黃土塬區(qū)具有一定開采價值。白堊系地下水主要接受上游地表水線狀補給和西南邊界的六盤山側向補給,從盆地的周邊向侵蝕基準面(涇河和洛河河谷)方向匯集排泄,具有較典型的承壓水盆地的特征。1.2地下水流系統(tǒng)濕地水系統(tǒng)資北部沙漠高原坳陷盆地氣候干旱、沙漠廣布、河流稀少、地形起伏不大,白堊系地層和第四系風積沙構成含水層的主體。含水層系統(tǒng)以白堊系河流相的砂巖和礫巖為主,巖石呈半膠結狀態(tài),結構疏松,巖性單一,孔隙發(fā)育,泥質(zhì)含量較少,沉積韻律不明顯。在區(qū)域上沒有連續(xù)穩(wěn)定的隔水層,總體上構成大厚度的單一含水層亞系統(tǒng),總體透水能力較強并由上向下逐漸變?nèi)酢５谒南挡贿B續(xù)沉積在下伏地層之上,為高原型不連續(xù)的孔隙潛水含水層。地下水以大氣降水為主要補給源,流向受地表水文系統(tǒng)控制,由地形較高的地表分水嶺向盆地周邊的都思兔河、摩林河、無定河和烏蘭木倫河等水文系統(tǒng)匯集,以蒸發(fā)和向地表水系統(tǒng)匯集為排泄方式。受含水巖組間缺乏穩(wěn)定連續(xù)隔水層的影響,各含水巖組間垂向水力聯(lián)系密切。2樣品的采集和分析本次研究工作利用了大量的同位素數(shù)據(jù),既有收集到的前人研究成果和資料,也有近期工作中采集到的同位素數(shù)據(jù)。測試單位多為國內(nèi)單位,部分樣品由IAEA組織幫助測試。樣品采集前,先抽水一定時間,以排除井管中積水的影響。D、18O、3H取樣量均為1000mL,分別存放于洗凈的玻璃瓶或新聚氯乙烯采樣瓶(桶)中。利用IRMS測定地下水的δD、δ18O,利用低本底液閃儀測定地下水中的3H。Sr樣品采集時,通過0.45μm孔徑多孔濾膜過濾,陽離子測試樣品,用HCl酸化至pH=2左右,樣品保存在聚丙烯瓶中。采用AAS分析方法測試水樣中Sr含量;經(jīng)過離子交換分離程序后,利用多接收器質(zhì)譜儀FinuiganMAT262V分析87Sr/86Sr值。Sr的所有分析工作均在維也納IAEA實驗室完成。3穩(wěn)定單位數(shù)在地下水中的分布特征3.1地下水位類型和同位素組成變化盆地南區(qū)地下水的δ18O和δD在垂向上具有明顯的分層特點。總體表現(xiàn)為隨地下水埋藏深度的增大,地下水的δ18O和δD值逐漸偏負,指示著盆地南區(qū)各含水巖組間地下水垂向水力聯(lián)系較弱。盆地北區(qū)地下水的δ18O和δD在垂向上總體表現(xiàn)出均一性的特點。在0～200m深度范圍內(nèi),δ18O和δD值逐漸偏負且不穩(wěn)定,顯示其補給源的同位素組成變化比較快,應該是受現(xiàn)代降水影響較為強烈的積極循環(huán)帶。200m埋深以下,同位素無明顯分層,表現(xiàn)出均一性的特點,指示著盆地北區(qū)各含水巖組之間地下水垂向水力聯(lián)系比較密切。3.2b4孔周邊地下水中總應力量表n從圖1可以看出,在236m深度附近的地下水中,Sr和87Sr/86Sr表現(xiàn)出完全相反的相關關系。一般說來,水流交替越強烈,則Sr的濃度越低,主要由硅酸鹽礦物組成的表層土壤物質(zhì)在化學風化過程中釋放的Sr往往具有較高的87Sr/86Sr值,大多為0.716～0.720。B14孔附近地表主要為第四紀風積沙,硅酸鹽含量較高,因此風化物及經(jīng)過的水流中87Sr/86Sr值也較高;又因為地下水交替強烈,所以地下水溶濾含水層中的鹽分比較多,殘留在含水層中的鹽分相對減少。因此,出現(xiàn)了淺層地下水中低Sr濃度、高87Sr/86Sr值的現(xiàn)象。地下水中Sr濃度隨深度逐漸增加,而87Sr/86Sr值卻逐漸減小,二者呈負相關關系,這主要是沿途低87Sr/86Sr值的鍶加入的緣故。隨著深度的加大,在236m以下地層中偶夾泥巖,滲透性能相對減小,87Sr/86Sr也相對較高,出現(xiàn)了隨徑流路徑的延長以及靠近泥巖地層越近Sr濃度越大的現(xiàn)象。根據(jù)楊鄖城等的分析結果,在300～400m深處存在側向排泄帶,也可以證明排泄帶以上為垂向積極循環(huán)帶的認識是正確的。3.3地下水循環(huán)路徑利用CFCs測試濃度,可以分析確定南北兩區(qū)淺層地下水的年齡。據(jù)文獻可以知道,多數(shù)樣品采樣深度都不超過200m,甚至只有50m,屬地下水盆地局部循環(huán)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,地下水普遍接受現(xiàn)代水補給,循環(huán)路徑短、深度淺,地下水的年齡大都在19～27a。與南區(qū)相比,北區(qū)淺層地下水循環(huán)深度更大,地下水交替更強烈。4地下水水循環(huán)根據(jù)采樣點氚濃度和取樣深度,得到盆地南北兩區(qū)濃度與深度之間的關系(見圖2、圖3)?？梢钥闯?沙漠高原坳陷盆地核爆炸試驗以后形成的地下水(氚濃度大于測試精度)采樣點多數(shù)分布于深度小于210m的含水層中,表明其為現(xiàn)代水積極循環(huán)帶;當深度大于210m時,地下水氚濃度多數(shù)小于測試精度,水循環(huán)速度變慢。部分采樣深度小于210m的采樣點的氚濃度低于測試精度,主要是其位于中深層水的排泄區(qū),所采集樣品中古水所占比例較大而現(xiàn)代補給水比例較小造成的。南部黃土高原坳陷盆地與北區(qū)類似,但現(xiàn)代水的循環(huán)深度則要比沙漠高原坳陷盆地稍淺一些,僅達到160m。從圖2、圖3中均可以發(fā)現(xiàn)在深度大于現(xiàn)代水循環(huán)深度以下的含水層中,也有部分樣品(主要為洛河組樣品)的濃度較大。這可能是采樣或測試時出現(xiàn)的錯誤或誤差所引起的。根據(jù)以上方法由氚所確定的深度(北區(qū)210m、南區(qū)160m),將盆地內(nèi)地下水分為淺層地下水和中深層地下水。盆地南北兩區(qū)淺層地下水氚濃度平均為8.33TU和6.17TU,多數(shù)樣品都大于氚的測試精度(5TU),反映其為現(xiàn)代水補給;而中深層地下水則以貧氚為特征,氚濃度小于測試精度,反映其為地質(zhì)歷史時期補給。5地下水循環(huán)路徑、徑流、循環(huán)深度、年齡分布特點在對研究區(qū)內(nèi)同位素資料整理分析的基礎上,確定鄂爾多斯白堊系地下